氟硅弹性体的进展与汽车可持续创新

朱永康 编译

（中橡集团炭黑工业研究设计院, 四川 自贡 643000）

0 前 言

在当今世界汽车行业中，持续改进车辆的设计材料对于迎接技术挑战，满足市场对燃油效率、节能减排和降低成本的需求至关重要。除了发展一些新技术外，各种新材料的出现，往往可以满足性能或成本的需求。美国道康宁公司拥有诸多用途的氟硅弹性体。这一特种有机硅聚合物通常有很宽的使用温度范围，可制造耐燃油和耐润滑油的车辆零部件。如今，由于在形式和功能方面的一些重大进步，氟硅弹性体比以往更有助于设计人员实现汽车可持续创新。

本文着重介绍氟硅弹性体的关键性进步，这些进步可以满足工业上对于更具挑战性的应用和耐用性的要求，并提供加工的通用性，从而改进质量，提高经济效益。这些改进包括提升氟硅弹性体的基本性能，以及开发兼具氟硅弹性体的耐流体温度与液态硅弹性体加工优势的液态弹性体产品。本文着重讨论新材料的选择、性能和加工注意事项，以及满足特定设计要求的潜在用途。

迎接汽车可持续创新的挑战，必须把材料的研发与市场的需求相结合，确保用户使用起来既可靠，成本又低。

1 氟硅橡胶技术基础

有机硅弹性体有时被称之为无机物和有机聚合物之间的“化学桥”或链接，它们往往具有一个主链，其中的硅原子和氧原子被与硅连接的有机侧基（如甲基）取代。通常情况下，有机硅弹性体是作为高黏度橡胶(HCR)出售的，其标准的化学分类为VMQ（即乙烯基甲基硅氧烷）。

氟硅橡胶(FSR)弹性体被归类为FVMQ，也就是氟乙烯基甲基硅氧烷。通过以一个氟碳(三氟丙基)基取代烃(甲基)侧基，便合成了氟硅橡胶。正是这样的氟硅化学，使得该材料具有耐非极性烃类燃油、润滑油和溶剂的特性，相对密度大，在极性液体（如酯类和酮类）中的溶解度高，润滑能力改善。随着聚合物结晶的消除，使用温度降低，分子量相同的情况下黏度增大。

2 液态氟硅橡胶选择

硅橡胶和氟硅橡胶弹性体家族兼有固体混合和液体混合的特性。聚合物、硫化体系、特殊添加剂和辅助填料会影响胶料的特定性能。氟硅橡胶 (FVMQ)和高黏度橡胶 (VMQ)属于绉状材料，最适合用来制造挤出成型、注射成型、压延成型零部件。使用液体注射成型或包覆(二次成型)工艺，提高生产速度，增加产量，减少浪费。液态氟硅橡胶 (F-LSR )和液态硅橡胶(LSR)可以降低汽车零部件的成本。

道康宁公司已提升了其FSR弹性体和HCR弹性体的性能，扩大了其F-LSR弹性体产品的供应。现有Silastic品牌的F-LSR弹性体，包括用于强腐蚀性液体全氟化[n（氟）=100%]聚合物，以及应用于弱腐蚀性的液体部分氟化[n（氟）=40%～60%]共聚物。F-LSR家族的阵容正在日渐扩大，为用户提供了各种硬度以及自润滑的选择。

所有可供选择的F-LSR均允许使用传统的LSR设备来制造氟硅橡胶密封件、垫片和隔膜。与高黏度的FSR胶料相比，其加工速度更快、效率更高、尺寸控制更好。氟硅弹性体在腐蚀性液体和极热或极冷的苛刻应用环境中最具竞争力。以前FSR胶料在汽车行业的典型应用包括：燃油管安全密封、油封、涡轮增压器软管衬里、膜片和隔膜、O形环密封和垫片。新型的F-LSR胶料为降低加工成本提供了机会，使加工者能在更多应用场合满足严苛的性能要求。

3 高性能与易加工性

对新型液态氟硅橡胶弹性体进行的大量测试，证实了其在FSR弹性体应用领域中能有效地使用并具有高性能。例如，新型F-LSR弹性体在典型汽车液体内呈现出低溶胀率，有满足密封应用的压缩永久变形，并在热老化后保持良好的撕裂强度和伸长性能。典型的F-LSR胶料的黏度与高硬度LSR胶料的黏度相当。与此同时，这些材料在加工中具有十分明显的优势。在低温(120 ℃)和在高温(170 ℃)下，新型F-LSR胶料的硫化曲线呈现出快速、完全的硫化。与过氧化物硫化的固体FSR相比，铂加成法硫化F-LSR的硫化快得多，因而在注射成型过程中可以脱模。F-LSR也表现出更低的模具粘附性，因为硫化较完全使其更容易脱模。

由于能在较低温度下快速硫化，新型F-LSR弹性体也非常适合二次成型塑料零部件。对于典型的FSR胶料，这简直是不可能的。因为即便在足以熔化塑料的高温下，它的硫化也慢得多。二次成型可在单独的操作中进行，或在同一模具内连续注入进行。为了节省加工时间，简化零件编号、质量保证措施和装配要求，不妨把单独的操作合并到一起。这些新型F-LSR弹性体将FSR的性能优势与LSR的加工长处结合起来。其硫化曲线看上去非常相似，尽管F-LSR胶料在较低的温度下(120 ℃)的硫化较LSR胶料的更快速、更完全。双组分的F-LSR胶料具有与FSR胶料类似的黏度，其剪切稀化行为也相当。其制成的复杂形状零部件和公差规定较严的组件能快速接触极热或极冷的液体。

4 应对严峻挑战的材料

新FSR增加了与可再生生物燃料（如生物柴油）接触的抗耐降解性。新型F-LSR胶料可制成燃油系统中的密封件、控制膜片和隔板，并具有加工经济性。

为了应对高温（200～250 ℃）的废气，并提高耐酸性，现已研发出了用于涡轮增压器软管的新FSR-HCR组合体。Silastic FSR弹性体和Silastic F-LSR弹性体材料的研制，也非常适合于满足OEM（原始设备生产商）对减少废气排放的严格要求。

4.1 耐液体性能

不同的氟硅橡胶胶料在压力下并接触具有腐蚀性的生物燃料混合物时，经历了长期热老化试验。为了模拟典型的使用现场条件，故意让试验液体被水和金属所污染。与耐生物燃料的氟碳聚合物不同，Silastic FSR胶料呈现出了低溶胀率，以及良好的硬度、拉伸强度和伸长性能保持率，从而满足了本行业的最新、最苛刻的测试要求。接触生物柴油、柴油和其他标准燃料时，新型F-LSR胶料显示出预期的良好性能。这对于保持设计灵活性、提高加工效率均有益处。

4.2 涡轮增压器软管

业已开发出了Silastic FSR胶料新品种，旨在满足体积更小、运行温度更高的涡轮增压器发动机的要求。这些FSR胶料通常作为胶管内胶层与HCR硅胶外胶层复合压出，其配方充分考虑到了耐腐蚀性液体、耐废气和耐酸性环境要求。此外，它们也能够适应更宽泛的使用温度范围，从极冷(-40 ℃)到使发动机操作温度升至≥200 ℃，以便加强对废气排放的管理。凭借粘接技术及硫化速度，HCR和FSR弹性体表现出了高初始粘接强度、强层间附着力，以及长期粘附稳定性和抗剥落、抗开裂和抗分层性能。

4.3 减排

多年来废气再循环一直是主要的减排技术，而汽车制造商系统规范一直在变化。这些规范遵循不同的方法，在特定测试温度下使用各种测试液体混合物或现行冷凝液。在满足OEM规范要求的测试中，先进的Silastic FSR和新型Silastic F-LSR弹性体均表现出了优良的性能。今后，将对氟硅橡胶技术进行继续优化。

5 汽车可持续创新[1]

道康宁公司利用改良的FSR胶料与新型F-LSR技术的组合，将其应用到工程和技术服务上，满足汽车设计可持续创新的挑战以及不断出现的新挑战。

加强燃料管理将使燃料/空气比的控制达到最佳，这就要求材料能够承受极热和极冷的温度，同时又保持弹性不会消退。新型耐燃油F-LSR可以提供燃油系统密封性，其制成的控制膜能用在更苛刻的代用燃油场合。除了能为更复杂的设计带来更多的设计灵活性外，这些弹性体还能够提高加工效率和减少浪费。

在体积较小而功率强大的发动机上，采用先进的涡轮增压技术，从而提高燃烧效率、减少碳排放，就此而言，新材料的出现也是非常重要的。在这里，为涡轮增压器软管新开发的HCR-FSR组合能承受高温、高压、残留油、以及温度更高和酸性更强的废气，材料出现粘附损失、降解和脱皮的可能性较小。

[1]Hans Peter Wolf. Advances in fluorosilicone elastomers : Sustainable automotive innovation [J]. Rubber World,2013,248(5):30-32.